盧孔寶，陳華勇

(浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

隨著全球氣候的變化以及人為破壞環(huán)境的影響，近年來地震等自然災(zāi)害頻頻發(fā)生，這類災(zāi)難造成了人員傷亡、財(cái)物被毀等巨大損失.然而災(zāi)難導(dǎo)致的路面坍塌、房屋摧毀、山體滑坡等現(xiàn)象，阻礙了救援人員的救援，同時(shí)也給救援人員的人身帶來了安全隱患[1].采用救援機(jī)器人進(jìn)行輔助搜救、發(fā)送受災(zāi)畫面、提供災(zāi)情數(shù)據(jù)是目前常見的一種有效手段.因?yàn)?zāi)后環(huán)境惡劣、地面復(fù)雜，對(duì)救援機(jī)器人的越障能力和機(jī)器人的適應(yīng)能力都有很高的要求[2].機(jī)器人要完成穿越廢墟、自主搬運(yùn)障礙物、發(fā)送所需信息等工作，從而給救援提供有效方案制定和爭(zhēng)取寶貴救援時(shí)間提供參考和幫助.因此研發(fā)適應(yīng)復(fù)雜惡劣環(huán)境的救援機(jī)器人具有一定現(xiàn)實(shí)意義.

1 傳統(tǒng)救援機(jī)器人行走結(jié)構(gòu)分析

現(xiàn)有傳統(tǒng)的救援機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)主要有輪式、履帶式、腿足式等.這些行走機(jī)構(gòu)在復(fù)雜道路環(huán)境下都有各自的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在不足之處，選取了常見行走機(jī)構(gòu)對(duì)地面適應(yīng)性、越障能力、經(jīng)濟(jì)性和加工裝配方面等進(jìn)行分析，以此為依據(jù)提出優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案.

1.1 輪式行走機(jī)構(gòu)

輪式行走機(jī)構(gòu)機(jī)械機(jī)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，通常適應(yīng)在道路相對(duì)平坦的場(chǎng)合，其越障能力主要取決于輪子直徑和電機(jī)驅(qū)動(dòng)力，由于其行走主要依靠輪子與地面的線接觸，其適應(yīng)能力相對(duì)較差，但該行走機(jī)構(gòu)具有加工裝配比較方便，費(fèi)用低廉等特點(diǎn)[3].

1.2 履帶式行走機(jī)構(gòu)

履帶式行走機(jī)構(gòu)其行走主要依靠履帶與地面的面接觸，對(duì)于泥濘道路、凹凸不平路面、小程度的坍塌路都能適應(yīng)，其適應(yīng)能力相對(duì)較好，越障能力也大大優(yōu)于輪式行走機(jī)構(gòu)，但履帶行走機(jī)構(gòu)底盤高度會(huì)影響其越障能力.該行走機(jī)構(gòu)加工裝配相對(duì)簡(jiǎn)單方便，費(fèi)用也適中.

1.3 腿足式行走機(jī)構(gòu)

這種行走機(jī)構(gòu)靈活性很強(qiáng)，適合復(fù)雜的道路，但由于其結(jié)構(gòu)重力集中在腿足上，容易被松軟地面和廢墟堆雜物中陷住、卡住，且行走時(shí)要隨時(shí)調(diào)整機(jī)構(gòu)重心達(dá)到平衡，同時(shí)這種行走機(jī)構(gòu)制造成本較高，裝配要求較高.

綜合上述幾種常見行走機(jī)構(gòu)，在適應(yīng)性、越障功能、制造成本等方面進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)(見表1).

表1 常見行走機(jī)構(gòu)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

通過常見行走機(jī)構(gòu)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)履帶式的行走機(jī)構(gòu)相對(duì)適合災(zāi)后環(huán)境中行走，但還存在一定缺陷，需要在傳統(tǒng)履帶式行走機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了行走機(jī)構(gòu)的本體進(jìn)行伸縮可變，一定程度上可避開及其惡劣的道路環(huán)境，由此提高行走機(jī)構(gòu)的越障能力和適應(yīng)性.

2 災(zāi)后救援機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 救援機(jī)器人整體方案設(shè)計(jì)

為了爭(zhēng)取救援時(shí)間，救援機(jī)器人需要快速、平穩(wěn)的通過救援通道，有時(shí)甚至需要穿越河道、坍塌路面等復(fù)雜道路.為適應(yīng)復(fù)雜路況擬設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用履帶式行走機(jī)構(gòu)，為了便于靈活操作兩側(cè)履帶各設(shè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，便于實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向，行走機(jī)構(gòu)本體設(shè)計(jì)成可伸縮式，并設(shè)計(jì)頂升機(jī)構(gòu)，使行走機(jī)構(gòu)伸縮更靈活同時(shí)減輕伸縮電機(jī)負(fù)載，達(dá)到根據(jù)路面情況隨時(shí)調(diào)整行走機(jī)構(gòu)尺寸的功能，提高機(jī)器人對(duì)復(fù)雜路面的適應(yīng)性.

救援機(jī)器人除能通過復(fù)雜路面外，更重要的是利用機(jī)械手開展救援工作，機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)，完成快速定位、抓取、救援等工作.整體設(shè)計(jì)方案(見圖1).

圖1 災(zāi)后救援機(jī)器人整體設(shè)計(jì)圖

2.2 機(jī)器人行走車架體設(shè)計(jì)

機(jī)器人行走車架體主要由車架伸縮裝置、行走裝置頂升裝置等組成車架伸縮裝置主要由齒輪齒條嚙合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，電機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪與齒條1、齒條2嚙合，并帶動(dòng)兩齒條反向直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)行走機(jī)構(gòu)的伸縮功能，為保證傳動(dòng)的穩(wěn)定性，在齒條上設(shè)有依靠導(dǎo)向塊，保證兩齒條移動(dòng)的平穩(wěn)性[4].實(shí)現(xiàn)左右履帶以行走機(jī)構(gòu)為中心勻速伸縮，確保機(jī)器人在復(fù)雜道路上保持平穩(wěn).

車架伸縮裝置的兩側(cè)為行走裝置，其設(shè)有兩組同步帶輪，每組帶輪上安裝同步齒形帶，兩組前側(cè)主動(dòng)輪由電機(jī)帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)行車機(jī)構(gòu)的前進(jìn)、后退、差速轉(zhuǎn)彎等功能.

在平整路面車架伸縮裝置可輕松的將車體兩側(cè)車輪推出，但如機(jī)器人處于復(fù)雜路面時(shí)，由于地面不平整、不規(guī)則，行走裝置左右移動(dòng)的阻力大大增加，很難實(shí)現(xiàn)車架伸縮功能，為解決這一技術(shù)難題，在車體底部設(shè)計(jì)頂升裝置，依靠電機(jī)帶動(dòng)頂升齒輪，頂升齒輪與頂升齒條嚙合，頂升齒條將車體頂升，減少履帶與地面的摩擦阻力，從而輕松實(shí)現(xiàn)車架伸縮功能.機(jī)器人行走車架體建模及結(jié)構(gòu)(見圖2).

2.3 救援機(jī)械手的設(shè)計(jì)

救援機(jī)械手在該救援機(jī)器人中的作用主要是搬除障礙物、傳遞救援物資等作用，因救援特殊性所需的機(jī)械手需具備實(shí)現(xiàn)快速抓取不同形狀、不同規(guī)格物體等功能[5].救援機(jī)械手采為“夾持式”抓取，手指圓弧形，其結(jié)構(gòu)形式為兩平行四桿機(jī)構(gòu)，通過扇形齒輪傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手抓的夾持與分開，從而完成救援工作.救援機(jī)械手建模及結(jié)構(gòu)(見圖3).

①-右側(cè)從動(dòng)輪；②-右側(cè)主動(dòng)輪；③-履帶；④-底盤；⑤-抬升電機(jī)；⑥-抬升電機(jī)安裝板；⑦-頂桿；⑧-左側(cè)主動(dòng)輪電機(jī)；⑨-伸縮齒條；⑩-行走機(jī)架體；-伸縮裝置電機(jī)；-定位塊圖2 機(jī)器人行走車架體

①-轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)；②-腕部電機(jī)；③-轉(zhuǎn)臺(tái)；④-臂部電機(jī)安裝板；⑤-機(jī)械手臂連接板；⑥-機(jī)器人臂部關(guān)節(jié)；⑦-機(jī)器人腕部關(guān)節(jié)；⑧-機(jī)械手固定塊；⑨-手指關(guān)節(jié)連桿；⑩-手指關(guān)節(jié)；-連接件；-機(jī)械手電機(jī)；-腕部電機(jī)；-聯(lián)軸器；-調(diào)整塊圖3 救援機(jī)械手

救援機(jī)械手主要由轉(zhuǎn)臺(tái)、腕部關(guān)節(jié)、臂部關(guān)節(jié)、機(jī)械手指等組成，均有電機(jī)實(shí)現(xiàn)其關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng).可實(shí)現(xiàn)360°無死角的救援工作開展.由轉(zhuǎn)臺(tái)、腕部關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)大致定位，調(diào)整臂部關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)精確定位，機(jī)械手指實(shí)現(xiàn)抓取、救援工作.

救援機(jī)械手動(dòng)作分析，轉(zhuǎn)臺(tái)與鏈接底板相連，通過電機(jī)可實(shí)現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)，腕部關(guān)節(jié)一側(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)鉸接另一側(cè)與臂部關(guān)節(jié)鉸接，電機(jī)傳遞動(dòng)力可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂大幅度的調(diào)整方位.臂部關(guān)節(jié)的另一側(cè)與機(jī)械手指實(shí)現(xiàn)固定連接.電機(jī)傳遞動(dòng)力可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的微調(diào)實(shí)現(xiàn)較高精度的定位.救援機(jī)械手指通過扇形齒輪、連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)張開和收攏.

2.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩計(jì)算

災(zāi)后救援機(jī)械手各個(gè)關(guān)節(jié)均有電機(jī)控制其運(yùn)動(dòng)，為使救援機(jī)械手能有效抓取救援取物，故電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力需要進(jìn)行計(jì)算.其中救援機(jī)械手指和救援機(jī)械手腕部電機(jī)相對(duì)重要需根據(jù)計(jì)算選型，均可參照腕部電機(jī)的計(jì)算方法進(jìn)行選型即可[6].

(1)救援機(jī)械手指驅(qū)動(dòng)電機(jī)計(jì)算

救援機(jī)械手夾緊力約束主要是消除物件在手指中的移動(dòng)，從而判斷手指對(duì)物件的約束是否可靠時(shí)，一般要考慮手指與物件的接觸狀態(tài)夾緊力的大小、方向和作用點(diǎn)等[7].機(jī)械手指關(guān)節(jié)部分結(jié)構(gòu)(見圖4).

圖4 機(jī)械手指關(guān)節(jié)部分結(jié)構(gòu)示意圖

所設(shè)計(jì)的救援機(jī)械手兩手指內(nèi)側(cè)之間距離：L=30 mm；扇形齒輪半徑：R扇=20 mm；支點(diǎn)與手頂端距離為：b=40 mm.預(yù)所夾持最大重物：1 000 g，即G=20 N；

查手冊(cè)得金屬與木制物品之間靜摩擦系數(shù)：f=0.5；

救援機(jī)械手指所需的夾緊力：

(1)

根據(jù)公式：

F軸×R扇=F×b

(2)

F軸=40 N，設(shè)F′為齒輪圓周力

F×sinγ×cosγ=F軸

(3)

解得F′=250 N.

所設(shè)計(jì)的扇形齒輪半徑R扇=0.02 m

救援機(jī)械手指驅(qū)動(dòng)力為：

M=F′×R扇=5 N·m

(4)

(2)救援機(jī)械手腕部電機(jī)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算

救援機(jī)械手手腕電機(jī)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算需考慮眾多因素，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，機(jī)械手臂腕部驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩可按式(5)進(jìn)行計(jì)算：

M驅(qū)=M慣+M偏+M摩

(5)

其中：M驅(qū)—驅(qū)動(dòng)手腕擺動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩，N·cm；

M慣—慣性力矩，N·cm；

M摩—手腕處與前臂端部的摩擦阻力距，N·cm.

①手腕加速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩:

設(shè)手腕擺動(dòng)是的角速度為ω，啟動(dòng)所用時(shí)間為Δt，則：

M慣=(J+J1)ω/Δt

(6)

其中:J—參與手腕擺動(dòng)部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,N·cm；J1—工件對(duì)手腕擺動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,N·cm.

②手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩：

M偏=G1e1+G2e2(N·cm)

(7)

其中：G3—手腕擺動(dòng)件的重量，N;

e3—手腕擺動(dòng)件的重心到擺動(dòng)軸線的偏心距，N.

當(dāng)工件的重心與手腕的擺動(dòng)軸線重合時(shí)，則：G1e1=0

③手腕擺動(dòng)軸在軸頸處得摩擦阻力距M摩與選用的各裝置類型有關(guān).

綜合式(5)～式(7)的力矩計(jì)算，救援機(jī)械手手腕電機(jī)驅(qū)動(dòng)力12 N·cm.

3 救援機(jī)器人運(yùn)行與實(shí)驗(yàn)

救援機(jī)器人進(jìn)行了樣機(jī)制作(見圖5)，并對(duì)其進(jìn)行了多次運(yùn)行與調(diào)試，救援機(jī)器人可輕松實(shí)現(xiàn)行走裝置的伸縮功能，運(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)向靈活，適應(yīng)在坑洼路面、廢墟堆等復(fù)雜路面前行[8].動(dòng)力源采用24 V直流電機(jī)，行走速度可達(dá)18 m/min，機(jī)械手可抓取不同規(guī)格的圓柱體、長(zhǎng)方體等物.抓取最大重量可達(dá)1 kg，抓取圓柱體直徑范圍15～105 mm，抓取長(zhǎng)方體規(guī)格15 mm×15 mm～95 mm×95 mm，伸縮行程最大可達(dá)85 mm，伸縮功能最長(zhǎng)耗時(shí)1.5 s.救援機(jī)器人各種救援姿態(tài)(見圖6).

圖5 災(zāi)后救援機(jī)器人實(shí)物圖

4 結(jié) 語

本文對(duì)災(zāi)后救援機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并試制了樣機(jī)進(jìn)行了調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的救援機(jī)器人道路適應(yīng)性強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)靈活，機(jī)械手可抓取不同形狀、多種規(guī)格的物體.該救援機(jī)器人可進(jìn)入災(zāi)后道路復(fù)雜的地段，為災(zāi)后救援、搜尋被困人群等提供幫助，加裝攝像頭等功能可傳遞災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)照片，為進(jìn)一步救援方案的制定和實(shí)施提供數(shù)據(jù).對(duì)同類救援機(jī)器人的開發(fā)研制具有一定借鑒意義.

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